串行通信

　　單片機與外圍設備的連接：并行和串行

　　單片機是嵌入式設備的“頭腦”，其與作為嵌入式設備的“手和腳”是各種外圍設備（輸入輸出設備等）連接。單片機應該怎樣與這些外圍設備連接才好呢？比如，我們來考慮一下將傳感器與單片機連接的情況。如果使用本連載第1期中介紹的“GPIO”的話，從傳感器向單片機傳送8位信號時需要使用8個引腳。這種傳送模式被稱為并行（并行通信）模式（圖1―左）。但是，僅一個傳感器就需要連接8個引腳，確實太可惜了，是否還有連接更少的引腳就能達到同樣目的的方法呢？

　　此時，可使用串行傳送模式（串行通信）。 “串行”的意思就是直列或直線。通過并行傳送模式（Parallerl Transferring Mode）中需要8個引腳才能實現的通信，在串行傳送模式（Serial Transfer Mode）中，由于可以以排成一直線的模式進行傳送，所以僅需一個引腳就夠了（圖1―右）。由于在單片機內部是通過并行模式來進行信號交換，所以還需將通過串行模式傳送來的信號轉換為并行模式（串行并行轉換）。相反，從單片機向與單片機串行連接的外圍設備傳送的信號也需要將信號從并行模式轉換為串行模式（并行串行轉換）。瑞薩電子的單片機RX63N是通過被稱為SCI（Serial Communication Interface，串行通信接口）的單元進行這些轉換的。例如，使一個引腳對應1位 的char型變量進行信息交換的是并行通信（Parallel communication），而一個引腳以時分（time division）按每1位進行信息交換的就是串行通信（Serial Communication）。

　　由于串行連接僅使用少數引腳便可進行，所以，近年來多被用于單片機和外圍設備之間的連接。GPIO除了用于將驅動電機的信號及LED閃爍等軟件操作結果的信號輸出時以外，還被用于通過開關或ON/OFF輸出的傳感器的輸入等。

　　通過UART便可簡單地使用串行通信

　　由于電特性的不同，以及用于進行通信協議的規定不同，串行通信具有多種方式，其中，最易于使用的應該是“異步通信模式”了。僅需用信號線將單片機和外圍設備連接起來便可使用，所以在單片機與動作監視器用的終端之間進行通信時、以及單片機與無線LAN用模塊進行通信時使用。

　　在異步通信模式的串行通信狀態下，一字節的文字信息※1在“開始位”（Start bit，意味著開始發送）和“停止位”（Stop bit，意味著停止發送）之間發送（圖2）。由此，無需I2C （Inter-Integrated Circuit，內部集成電路）”及“SPI（Serial Peripheral Interface，串行外設接口）”等時鐘信號線（但在其他的串行通信模式中這些時鐘信號線是必需的，以對發送和接收的時序進行同步）。另外，還可追加用于檢查數據是否已正常發送的“奇偶校驗位（Parity bit）※2”。

　　此通信方式所使用的通信用器件被稱為UART（Universal Asynchronous Receiver/Transmitter，通用異步收發器），在瑞薩電子的單片機--RX63N中內置了支持此功能的SCI（串行通信接口）。

　　（※1）異步串行通信狀態下，一般都是從“最低有效位（LSB： Least Significant Bit），即最低二進制數位”開始進行發送的。

　　（※2）奇偶校驗位（Parity bit）：在發送時按一定量的數據（在SCI中為7位或8位）中所具有“1”（或“0”）的個數為奇數個時定為“1”，為偶數個時定為“0”的奇偶校驗位（使偶校驗（Even Parity Check）、數據及奇偶校驗位中所包括的“1”的數量成為偶數個的方法），并通過與接收側進行校驗，以檢測出數據通信中的錯誤。反之，如果“1”（或“0”）的個數為奇數時定為“0”，為偶數時定為“1”的方法被稱為奇校驗（Odd Parity Check）。

　　在異步通信中，能實現按“單片機→外圍設備”或“外圍設備→單片機”的方向確保數據信號專用的信號線時，被稱為全雙工通信。另一方面，將通過1根信號線來切換通信方向的方式稱為半雙工通信。全雙工方式時需要2根信號線，可同時進行發送和接收。半雙工方式時僅需1根信號線，但必須在發送和接收之間進行切換（圖3）。